ISSN 1516-4691
Setembro, 2006
Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
Centro Nacional de Pesquisa de Monitoramento e Avaliação de Impacto Ambiental
Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
Documentos 57
Pulverização Eletrostática:
Principais Processos Utilizados
para Eletrificação de Gotas
Aldemir Chaim
Jaguariúna, SP
2006
Exemplares dessa publicação podem ser solicitados à:
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Editoração Eletrônica: Sandro Freitas Nunes
1ª edição eletrônica
(2006)
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parte, constitui violação dos direitos autorais (Lei nº 9.610).
Pulverização eletrostática: principais processos utilizados
para eletrificação de gotas / Aldemir Chaim. – Jaguariúna:
Embrapa Meio Ambiente, 2006.
19 p. : il. — (Embrapa Meio Ambiente. Documentos, ; 57)
1. Agrotóxico – Tecnologia de aplicação. 2. Pulverizador.
3. Pulverização eletrostática. I. Título. II. Série.
CDD 632.94
© Embrapa 2006
Autor
Aldemir Chaim
Engenheiro Agronômo, Mestre em Agronomia,
Pesquisador da Embrapa Meio Ambiente, Rodovia SP
340 - Km 127,5 - 13.820-000, Jaguariúna, SP.
E-mail: [email protected]
Agradecimento
À FINEP, que através Convênio 01.05.0857.00 apoiou financeiramente o projeto
"PULVERIZADOR HIDRÁULICO ELETROSTÁTICO COSTAL E PULVERIZADOR
ELETROSTÁTICO MANUAL".
Sumário
Introdução ............................................................................ 05
Pulverização eletrostática ........................................................ 06
Processos utilizados para geração de gotas com carga eletrostática .... 08
Considerações gerais .............................................................. 13
Referências ........................................................................... 14
Pulverização Eletrostática: Principais Processos Utilizados para
Eletrificação de Gotas
Aldemir Chaim
Introdução
O início do desenvolvimento dos equipamentos de aplicação de agrotóxicos
surgiu entre 1867 e 1900, devido aos interesses dos agricultores em aumentar as
produções, a qualidade dos produtos e também, pelo grande êxodo rural
conseqüente da revolução industrial. Houve uma concentração de pessoas nas
áreas urbanas, aumentando a demanda de produtos agrícolas, mas diminuindo a
disponibilidade de mão de obra para trabalhar no campo (AKESSON & YATES,
1979). Isso forçou o desenvolvimento de novas tecnologias para aumentar a
produção agrícola, principalmente aquelas que permitiriam que poucos indivíduos
cultivassem áreas extensas, favorecendo, portanto, a prática da monocultura.
Houve uma maior demanda de aplicação de produtos para controle de pragas e
doenças que surgiram por conseqüência da prática da monocultura. Produtos
cúpricos, arsenicais, mercuriais e derivados da nicotina foram os primeiros
agrotóxicos utilizados para controle de pragas e doenças Bohmont (1981).
Nas primeiras aplicações de agrotóxicos, um simples tubo fino ou um orifício
produzia um jato fino de líquido que, com a fricção e resistência do ar, promovia a
formação de gotas grandes. Mas o processo evoluiu e, de acordo com Akesson &
Yates (1979), em 1896 já eram descritas 3 categorias de bicos utilizados na
agricultura: 1) bicos com orifícios em forma elíptica ou retangular, que emitiam
jatos em forma de leque; 2) bicos com obstruções colocadas imediatamente à
frente do orifício de saída de líquido, que também produziam jatos em forma de
leque (bicos de impacto); e 3) bicos que promoviam a rotação do líquido
imediatamente antes de sua emergência pelo orifício de saída, produzindo um jato
Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
com formato cônico e vazio. Esses bicos são, até hoje, os mais utilizados na aplicação
de agrotóxicos. Mas de 1896 até hoje, houve uma evolução fantástica nos processos
de síntese química, com o aparecimento de milhares de novos produtos.
Atualmente, a eficácia dos agrotóxicos para o controle dos problemas
fitossanitários é muito grande. Entretanto, a eficiência do controle ainda é obtida
graças ao poderoso efeito tóxico das novas moléculas, que compensa a deficiente
deposição obtida com as pulverizações. De certa forma, o método de aplicação
empregado atualmente é o mesmo que se empregava no final do século 19, e objetiva
estabelecer uma barreira tóxica na superfície do alvo, para impedir o ataque de pragas
e doenças.
As deposições de agrotóxicos são ineficientes, em quase todas formas de
aplicação e tipo de cultura. Em pulverização aérea por exemplo, foram verificadas
perdas em torno de 50% do volume de calda aplicado (WARE et al., 1970; PESSOA
& CHAIM, 1999). Em cultura de porte rasteiro como tomate e feijão, as perdas variam
entre 48% a 88% (CHAIM et al., 1999a). Para piorar a situação de culturas de porte
rasteiro a deposição concentra-se na região do ponteiro das plantas (CHAIM et al.,
1999a, SCRAMIN et al., 2002). Em culturas de porte arbustivo, como tomateiro
estaqueado, foram verificadas perdas entre 59% a 76%, dependendo do porte das
plantas (Chaim et al. 1999b, c). Em videira, as perdas variaram entre 18% a 39%
dependendo do tipo de equipamento e bico de pulverização (CHAIM et al., 2004).
Também em videira, dependendo do tipo de equipamento empregado, as perdas para
o solo variaram entre 34,5 a 48,9% (PERGHER & GUBIANI, 1995), mas em alguns
casos a deposição nas plantas foi superiores a 64% do total aplicado (PERGHER et al.,
1997). Em culturas de porte arbóreo como a macieira verificaram-se perdas entre 32%
a 40% dependendo da variedade da fruteira (CHAIM et al., 2003).Em pulverizações
de agrotóxico com jato transportado por ar, realizados em pomares de maçã, as perdas
para o solo variaram entre 2 a 39% da dose total aplicada e a deriva ficou entre 23 a
45% (BUISMAN et al., 1989).
Pulverização eletrostática
Várias pesquisas têm demostrado que o emprego de gotas pequenas proporciona os
melhores resultados no controle de problemas fitossanitários. Como as gotículas com
pequenas massas, possuem pouca energia cinética, sofrem grande efeito da deriva com
baixa captura pelos alvos. Desta maneira, as vantagens esperadas de maior eficiência de
utilização de gotas pequenas, somente se verificam em condições muito especiais. Para
garantir alguma eficiência em suas pulverizações, os agricultores utilizam-se de bicos que
produzem gotas grandes (maior do que 200 micrômetros), para obter um completo
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Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
molhamento das plantas.
Para que as gotas pequenas sejam eficientemente coletadas pelo alvo, livre do
processo de deriva, é necessário acrescentar uma força extra às mesmas. Justamente na
faixa das gotas pequenas ou muito pequenas, forças elétricas podem ser introduzidas em
grandeza suficiente para controlar seus movimentos, inclusive o movimento contra a
gravidade. Gotas com carga eletrostática apresentam a habilidade de se depositarem na
página oposta das folhas durante as pulverizações (CHAIM, 1984).
Para se entender como ocorrem as atrações entre gotas eletrificadas e alvos, é
necessário conhecer as duas leis básicas da eletrostática: Lei nº 1- cargas de polaridades
opostas se atraem e semelhantes se repelem; Lei nº 2 – a carga de um corpo ou nuvem
de partículas carregadas induzirá uma carga elétrica igual e oposta em algum outro corpo
condutor aterrado próximo. Neste último caso, serão formadas linhas de fluxo,
semelhantes às linhas dos pólos de um imã.
Gotas de uma nuvem carregada próxima a um corpo aterrado apresentarão a
tendência de se movimentarem seguindo as linhas de fluxo, em virtude da primeira lei
básica da eletrostática. Devido a natureza curvilínea das linhas de fluxo, as gotas
projetadas por um bico poderão atingir todos os lados do corpo aterrado.
A força de atração de uma partícula carregada para a planta é composta de duas
partes. A primeira é devido a ação do campo eletrostático da própria partícula em relação
a sua aproximação da superfície da planta. A segunda parte é a ação das forças do
campo elétrico do bico de pulverização e da nuvem sobre o campo elétrico da gota. Se os
campos elétricos forem direcionados para a planta, as gotas se projetarão sobre a sua
superfície.
Uma gota carregada será atraída por alguma superfície condutora seguindo um
princípio denominado “força de atração da imagem”.
Considerando uma esfera carregada se aproximando de uma superfície aterrada
conforme ilustra a Figura 1, a força de atração da esfera para a superfície é dada pela lei
de Coulomb para cargas pontuais de sinais diferentes. A segunda carga necessária para
a aplicação da Lei de Coulomb é uma imagem da carga real, localizada atrás da superfície
aterrada, com sinal oposto a carga real.
Fig.1. Efeito da atração de gota eletrificada por força da atração da sua imagem em uma determinada distância d.
Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
A segunda parte da atração, denominada de “campo de força” ocorre porque a
carga oposta a da gota, induzida na planta, cria a situação da Lei nº 1. Neste caso,
a força do campo é dada por F = EQ, onde F é a força de atração(Newtons), E é o
campo eletrostático (V/m) e Q é a carga (Coulomb).
Processos utilizados para geração
de gotas com carga eletrostática
Para se entender como são produzidas as gotas eletricamente carregadas,
primeiramente devem ser considerados os componentes básicos da matéria. Para
facilidade de compreensão, a matéria pode ser considerada como sendo constituída
de partículas elementares, algumas das quais são carregadas negativamente
(elétrons), algumas carregadas positivamente (prótons) e algumas que não são
carregadas (nêutrons). Normalmente a matéria é eletricamente neutra em seu
estado natural, pois apresenta um número igual de elétrons e prótons, cujas cargas
de sinal oposto se anulam. Assim, para que um corpo fique eletricamente
carregado, é necessário provocar um desequilíbrio entre prótons e elétrons,
retirando ou fornecendo elétrons do mesmo (CHAIM, 1984).
A eficiência da pulverização eletrostática é diretamente relacionada ao processo
utilizado para eletrificar as gotas. A Figura 2 ilustra um processo de eletrificação de
gotas por “efeito corona” onde, um eletrodo pontiagudo submetido a tensões
elevadíssimas ioniza o ar, e as cargas livres se chocam com as gotas produzidas
pelo bico, tornando-as eletricamente carregadas. Este processo é adequado para
eletrificar gotas com tamanhos inferiores a 20 micrômetros. As gotas maiores não
adquirem carga com intensidade suficiente para aumentar a eficiência da aplicação.
Fig. 2. Sistema de carga de gotas de pulverização por efeito “corona”.
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Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
O sistema apresentado na Figura 2 apresenta alguns problemas práticos para
utilização na agricultura, pois não é adequado para gotas “grandes”. Entretanto,
uma modificação no sistema, apresentado por Arnold et al. (1981 a, b, c)
introduziu em um bico rotativo, um eletrodo pontiagudo submetido a 30 kV que
ionizava a lâmina de líquido antes de formar as gotas. A lâmina de líquido ficava
eletrizada e ao se romper na borda do disco pela ação centrífuga, gerava gotas com
carga eletrostática.
A Figura 3 ilustra o processo de carga por indução com eletrificação indireta,
onde o líquido é mantido aterrado, ou seja com voltagem igual a zero. Neste
processo, as gotas adquirem a carga na presença de um intenso campo
eletrostático, formado entre o eletrodo de indução mantido em alta voltagem e o
jato de gotas. O eletrodo de indução deve ser posicionado na região da borda do
jato onde as gotas se formam, em uma distância mínima suficiente para evitar
centelhas de descarga entre o eletrodo e o líquido.
Fig. 3. Sistema de carga de gotas de pulverização por indução eletrostática,
com eletrificação indireta.
O sistema de carga por indução com eletrificação indireta, apresenta as
vantagens, do líquido no tanque e tubulações ficarem submetidos a voltagem zero,
e. necessita voltagens relativamente baixas para eletrificação das gotas.
Entretanto, as gotas adquirem carga de sinal oposto ao eletrodo de indução e
Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
devido ao intenso campo eletrostático, elas são atraídas para esse dispositivo,
molhando-o, causando escorrimento (CARROZ & KELLER, 1978). Com o
molhamento do eletrodo de indução, o sistema entra em colapso e a eletrificação
das gotas fica extremamente prejudicada. Para evitar o molhamento do eletrodo de
indução, desenvolveu-se bicos pneumáticos eletrostáticos, onde o próprio ar que
pulveriza o líquido, arrasta as gotas eletrificadas para longe da zona de influência
do eletrodo de indução (LAW, 1978; CHAIM et al., 1998,1999d, 2002).
Marchant (1985) apresentou um bico rotativo com sistema de indução, no qual o
eletrodo girava juntamente com o disco para evitar a atração de gotas. Esse projeto
produzia gotas com carga inferior a 2 mC/L.
A Empresa Electrostatic Spraying Systems (2005) utiliza bicos pneumáticos
eletrostáticos, semelhantes ao descrito por Law (1978), em seus diferentes tipos
de pulverizadores. A Empresa ESS apresenta vários resultados com economia
superior a 50% da dose de agrotóxicos em algumas culturas. Também apresenta
uma extensa lista de trabalhos publicados em revistas científicas, com assuntos
relacionados direta ou indiretamente com a pulverização eletrostática.
Na Figura 4 é apresentado o sistema de indução com eletrificação direta, onde
o líquido ou o bico recebe a ação da alta tensão e um eletrodo aterrado tem a
função de promover um campo eletrostático. Essa concepção é utilizada nos
pulverizadores eletrohidrodinâmicos (COFFEE, 1981; CHAIM, 1984), que utiliza
caldas oleosas de baixa condutividade elétrica. No caso da calda com baixa
condutividade elétrica, a alta tensão aplicada ao bico, consegue vencer a
resistividade do líquido para transferir as cargas para as gotas.
Fig. 4. Sistema de carga de gotas de pulverização por indução
eletrostática, com eletrificação direta.
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Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
Apesar de a pulverização eletrohidrodinâmica ser empregada desde a década de
60 em processos de pintura eletrostática (MILLER, 1973) e mais recentemente em
impressoras a jato de tinta para computadores (SWATICK, 1973), o seu emprego
na agricultura só foi possível com o desenvolvimento do “Electrodyn” projetado
por Coffee (1981). Para a tecnologia se tornar acessível, houve necessidade do
suporte da multinacional inglesa Imperial Chemical Industries para
desenvolvimento das formulações adequadas ao processo. No Brasil, Chaim
(1984) desenvolveu um protótipo manual, que foi testado com sucesso no
controle de trips em amendoim, usando uma formulação especial de deltametrina.
No processo eletrohidrodinâmico o líquido é submetido a um intenso campo
eletrostático, que promove o aparecimento de cargas na sua superfície. A presença
de cargas na superfície do líquido produz força que tem sentido oposto à força da
tensão superficial. Quando a força devida à presença das cargas é superior à força
da tensão superficial do líquido, ocorre uma instabilidade hidrodinâmica na
superfície, provocando o aparecimento de pequenas cristas, de onde são formadas
as gotas. Num bico de geometria cilíndrica, o campo eletrostático formado
organiza-se em linhas de fluxo com simetria radial, promovendo o aparecimento de
dezenas de cristas, que originam finos filamentos líquidos, num padrão de cone
vazio. Na extremidade de cada filamento as cargas se acumulam com maior
intensidade, e quando atingem um nível crítico, o líquido se rompe em gotas.
Como o campo eletrostático e a tensão superficial são constantes, e a taxa de
escoamento de líquido também é constante, há a formação de gotas, com cargas
elétricas e tamanhos extremamente uniformes. O tamanho das gotas depende,
fundamentalmente, da tensão superficial, da intensidade do campo eletrostático e
de determinadas características físicas do líquido. Desta forma, somente líquidos
especiais conseguem ser pulverizados com esse processo. Óleos minerais e
vegetais reúnem algumas das características físicas adequadas para a pulverização,
precisando entretanto serem aditivados com solventes polares para melhorar a
condutividade elétrica e tensão superficial. Em testes rápidos (não publicados),
realizados em laboratório da Embrapa-CNPMA com uma mistura de óleo mineral
medicinal e ciclohexanona, obteve-se uma taxa de deslocamento de carga de 0,7
microampéres, com um bico operando em uma vazão de 6 ml/min. (equivalente à
aplicação de 1 l/ha) e 25 kV de tensão. Isso produziu uma relação carga massa de,
7 mC/L o que é um excelente nível. Para conseguir essa pulverização, o bico
consumiu aproximadamente 18 miliwatts de potência, o que torna esse processo o
mais econômico do mundo, e com excelentes possibilidades de uso na agricultura.
Endacott (1983) demonstrou que a contaminação do solo é 20 vezes menor com
a pulverização eletrohidrodinâmica, quando comparada com a pulverização
Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
hidráulica convencional. O pulverizador manual Electrodyn, foi utilizado no
nordeste brasileiro, contra pragas do algodão entre 1980 e 1990 e experimentos
de campo comprovaram que essa tecnologia permite redução de aproximadamente
5 vezes a dose de ingrediente ativo em relação a pulverização convencional
(ARAUJO et al., 2002).
O principal problema para a pulverização eletrohidrodinâmica é a dificuldade de
desenvolvimento de formulações específicas para utilização em campo. Como o
volume de calda consumido fica em torno de 1 L/ha, só é possível utilizar aqueles
ingredientes ativos miscíveis em óleo e, principalmente, com alto poder toxico em
baixa concentração para pragas e doenças.
A Figura 5 ilustra um sistema de indução com eletrificação direta, onde a
indução ocorre entre a planta o jato de gotas mantido em alta tensão. Como não
existe eletrodo de indução, a voltagem de eletrificação deve ser alta o suficiente
para criação de um intenso campo eletrostático entre o bico e a planta. Assim a
carga das gotas dependerá da distância em que o bico é posicionado em relação a
planta.
Fig. 5. Sistema de carga de gotas de pulverização por indução
eletrostática, com eletrificação direta.
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Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
O sistema de indução com eletrificação direta apresenta, como fato positivo, a
falta de necessidade do eletrodo de indução, eliminando a necessidade de
utilização de mecanismos para evitar a atração das gotas. Entretanto como fato
negativo, a inexistência de eletrodo de indução faz com que o campo eletrostático
seja variável. Neste caso, a intensidade de carga do jato das gotas será totalmente
dependente da distância do bico de pulverização em relação a planta. Como o bico
deverá passar com distância entre 20 e 40 cm das plantas, a voltagem necessária
para eletrificação das gotas deverá ser superior a 30 000 volts e neste caso, todo
o circuito hidráulico ficará submetido a tensão de eletrificação do jato de gotas.
Esse fato exige que sejam adotadas várias providências para isolamento do tanque,
bomba hidráulica, tubulações, entre outras para segurança dos aplicadores.
A Empresa Agco (2005) lançou um pulverizador eletrostático autopropelido,
Spra Coupe, que adota o princípio da carga por indução com eletrificação direta. O
equipamento possui um tanque principal e um outro menor onde é feita a
eletrificação da calda. O isolamento do tanque principal é realizado com um
chuveiro que goteja a calda dentro do tanque menor. Com o gotejamento ocorre a
quebra de continuidade do líquido, e a alta tensão não atinge o tanque principal.
A Embrapa Meio Ambiente em parceria com a Jacto S/A, desenvolveu um
pulverizador eletrostático costal que utiliza o sistema de indução com eletrificação
direta. Esse equipamento permite a aplicação de qualquer tipo de formulação
miscível em água e visualmente, apresenta deposição muito semelhante àquela
obtida com o antigo Electrodyn.
Considerações gerais
A pulverização eletrostática é uma alternativa promissora para redução de
perdas na aplicação de agrotóxicos. Hislop (1988), numa revisão sobre o emprego
de gotas com carga eletrostática para aplicação de agrotóxicos, afirmou que é
possível reduzir, mais de 50% dos ingredientes ativos recomendados nas
aplicações, sem reduzir a eficácia biológica. Além de aumentar a eficiência no
controle, a pulverização eletrostática reduz os efeitos dos inseticidas sobre os
organismos que vivem no solo, porque as perdas para o solo chegam a ser 20
vezes menores que numa pulverização convencional (ENDACOTT, 1983).
Entretanto segundo Hislop (1988) alguns equipamentos eletrostáticos não
proporcionam resultados consistentes de controle, porque os projetos
desenvolvidos não geram gotas com nível de carga suficiente para melhorar a
deposição, ou o tamanho de gotas produzidas não é adequado para uso com carga
eletrostática. Chaim et al. (2002) verificou com bocal eletrostático adaptado em
Pulverização Eletrostática: principais processos utilizados para eletrificação de gotas
pulverizador motorizado costal, que existe uma correlação linear entre intensidade
de carga do jato de gota e deposição, ou seja, para cada milicoulomb por litro de
calda pulverizada, ocorre um aumento de 10% na deposição. O sucesso da
pulverização eletrostática depende de soluções tecnológicas, para que os
pulverizadores gerem gotas com tamanhos entre 50 mm a 100 mm de diâmetro e
intensidade de carga, superior a 4,0 mC/L. Se essas condições forem atendidas a
pulverização eletrostática terá como benefício direto aumento da eficiência de
controle de pragas e doenças, porque haverá deposição expressiva de agrotóxico
na face interior das folhas. No caso de plantas que apresentam alta densidade de
folhas, a eficiência poderá ser maior se jatos de ar auxiliarem o transporte das gotas
com carga eletrostática para o interior das plantas.
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